DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

DWDM

(Dense Wavelength Division

Multiplexing)

Preparado por:

José Fernando Sánchez S

Sistemas de Comunicaciones Avanzadas

UNITEC

Introducción

• Incremento del ancho de banda necesario para el soporte de

aplicaciones multimedia, Arquitectura Cliente Servidor y

Procesamiento Distribuido

• El desarrollo de la infraestructura de fibra óptica ha apoyado la

interconexión de puntos distantes con gran necesidad de ancho de

banda (100 Mbps a 10 Gbps) brindando beneficios extendidos

• Investigaciones han determinado que el Diodo Laser (LD) y la Fibra

Optica Monomodo son incompatibles al analizar los problemas de

eficiencia del haz de luz con el nucleo de la fibra por los modos

transversales de alto orden emitidos por los LD

• El uso de la multiplexación por división de longitud de onda (WDM)

ha incrementado esta capacidad entre (Desde 40 Gbps hasta +1

Tbps.) llegando a redes bidireccionales multicanales de transmisión

coherente que contienen equipos ópticos totalmente pasivos.

Uso de WDM en Redes de Proveedores de

Contenido

Core

Acceso

STM-XX

Backbone

ISP

¿Que es WDM?

• Tecnología que acopla varias longitudes de

onda en una misma fibra con el objetivo de

tener varios canales de transmisión con el

consiguiente incremente del ancho de banda

agregado por fibra a la taza de transmisión

(Bit-rate) de cada longitud de onda.

• Ejemplo: 40 longitudes de onda λ a 10 Gbps por

λ en una misma fibra incrementa el agregado a

400 Gbps lo que representa solo una fracción

del potencial total de las Fibras Opticas.

¿Que es OFDM?

• Acrónimo de Optical Frecuency Division

Multiplexing empleado en los primeros días de

WDM.

• En OWDM el espaciado entre cada longitud de

onda esta en el orden de 1 nm.

• En OFDM esta en relación con la tasa de

transmisión de la señal.

• En WDM cada canal representa un flujo de bits

llevado por una portadora diferente. Diferentes

canales pueden llevar datos a tasas de

transmisión distintas que pertenecen a servicios

diferentes (Video, Voz, ATM, SDH, etc).

Ahora Dense WDM

• Tecnología que acopla un mayor número de

longitudes de onda en una misma fibra (λ ≥ 40).

Usualmente los equipos de DWDM pueden

acoplar 40, 80 o 160 longitudes de onda.

• Ejemplo: 55 longitudes de onda λ a 20 Gbps por

λ en una misma fibra incrementa el agregado a

1,1 Tbps.

Opciones de incremento en la

capacidad de las redes

Faster Electronics

(TDM)

Mayor tasa de bits, misma fibra

Electrónica mas costosa

More Fibers

(SDM)

Igual tasa de bits, mas fibras

Mercadeo lento

Costos de Ingeniería altos Derechos de paso limitados Ductos de salida

W

D

M

Misma fibra y Tasa de bits, mas

ls

Compatibilidad en la fibra Libera capacidad en la fibra Mercadeo rapido

Bajos gastos de posesión Utiliza equipos de TDM existentes

Single Fiber (One Wavelength)

Channel 1

Channel n

Redes de fibra

• Multiplexado por División de

Tiempo (TDM)

–Una sola longitud de onda por fibra

–Multiples canales por fibra

–4 canales OC-3 en un OC-12

–4 canales OC-12 en un OC-48

–16 canales OC-3 en un OC-48

• Multiplexado por división de

longitud de onda (WDM)

–Multiples λ por fibra

–4, 16, 32, 64 canales por sistema

–Multiples canales por fibra

DS-1 DS-3 OC-1 OC-3 OC-12 OC-48 OC-12c OC-48c OC-192c Fiber DWDM OADM SONET ADM Fiber

Comparación de TDM y DWDM

• TDM (SONET/SDH)

–Toma señales síncronas y

asíncronas y las multiplexa

en una tasa óptica de orden

superior

–Conversión E/O o O/E/O

• (D)WDM

–Toma múltiples señales

ópticas y las multiplexa en

una sola fibra

–No hay conversión de

formato de la señal

 DWDM puede dar incrementos en las capacidades a las cuales TDM no puede acomodarse

 Sistemas TDM de mas altas velocidades son muy costosos

DWDM versus TDM

14

Historia de DWDM

• Principios de WDM (Finales de los 80s)

–Dos longitudes de onda ampliamente separadas (1310, 1550nm)

• “Segunda generacion” WDM (Principios de los 90s)

–Dos a ocho canales en la ventana de 1550 nm

–400+ GHz espaciamiento

• Sistemas DWDM (mediados de los 90s)

–16 a 40 canales en la ventana de 1550 nm

–100 a 200 GHz espaciamiento

• Próxima generacion de Sistemas DWDM (Actual)

–64 a 160 canales en la ventana de 1550 nm

–50 y 25 GHz espaciamiento

TERM TERM TERM

Conventional TDM Transmission—10 Gbps

DWDM Transmission—10 Gbps

Por qué DWDM (Caso de

Negocio)

TERM

4 Fibers Pairs 32 Regenerators

Fundamentos económicos WDM

• Fibra subterranea o submarina

– Fibra existente

• Manejo de derechos de paso

– Alquiler o compra

• Excavaciones

– Consumen tiempo, trabajo intenso, costos de patentes

– $15,000 a $90,000 por Km

• Regeneradores 3R

– Espacio, potencia

– Re-shape, re-time and re-amplify

• Administración de red simplificada

• Transparencia

– Puede transportar multiples protocolos sobre la misma

fibra

– El monitoreo puede conocer multiples protocolos

• Espaciamiento de longitudes de onda

– 50GHz, 100GHz, 200GHz

– Define cuantas y cuales longitudes de onda pueden ser

usadas

• Capacidad de las longitudes de onda

– Ejemplo: 1.25Gb/s, 2.5Gb/s, 10Gb/s

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Caracteristicas de una red WDM

Bandas de Transmisión Optica

Banda

Longitud de onda (nm)

820 - 900

1260 – 1360

“Nueva Banda”

1360 – 1460

Banda S

1460 – 1530

Banda C

1530 – 1565

Banda L

1565 – 1625

Banda U

1625 – 1675

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Wavelength in Nanometers (nm)

0.2 dB/Km 0.5 dB/Km 2.0 dB/Km

Attenuation vs. Wavelength

L-Band:1565–1625nm

C-Band:1530–1565nm

Características de atenuación en la

fibra

Posibilidad de colocar múltiples servicios en

una sola longitud de onda

Caracteristicas de una red WDM

Por qué DWDM?

Argumento Técnico

• DWDM provee enormes capacidades de

transmisión escalable

– No limitado por la velocidad de la electrónica

disponible

– Sujeto a tolerancias holgadas de dispersión y

No-linealidad

 Multiples canales de información sobre la misma fibra, cada uno usa una λ individual

 Dense WDM is WDM utilizando espaciamiento cercano de canales

 Espaciamiento de canales reducido a 1.6 nm o menos

 Forma rentable de incrementar capacidad sin reemplazar fibra

 Sistemas comerciales disponibles con capacidades de 32 canales y hasta mas con tasas de transmisión > 80 Gb/s por fibra

 Permite nuevas topologías de redes ópticas, por ejemplo anillos metropolitanos de alta velocidad

 Los amplificadores ópticos son tambien un componente clave

Wavelength Division Multiplexer Wavelength Division Demultiplexer l1 A l2 l3 B C l1 X l2 l3 Y Z l1 + l2 + l3

Fibre

DWDM Fundamentos Clave

Multiplexer Optical Output Spectrum for an 8 DWDM channel system, showing individual channels

Source: Master 7_4

 Tasa de bits de 1.1 Tbits/sec (más de 13 millones de canales telefónicos)

 55 longitudes de onda a 20 Gbits/sec cada una

 Operación en 1550 nm sobre los 150 km con compensación de dispersión

Ancho de banda de 1531.7 nm a 1564.07 nm (0.6 nm de espaciamiento)

 Instalar más fibra

 Instalar nueva fibra es costoso ( €100000 o más por km)  Rutas de fibra requieren derecho de paso

 Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales

 Instalar más elementos de red SDH sobre redes

de fibra disponibles

 Pueden requerirse regeneradores y/o amplificadores adicionales  Se necesita mas espacio en la infraestructura existente

Opciones de capacidad de

expansión (I)

Instalar elementos de red SDH de mayor

velocidad

Velocidades sobre STM-16 no son triviales de desarrollar e instalar Los precios de puntos STM-64 no han bajado lo suficiente

Opciones de expansión no visibles mas allá de 10 Gbit/s Puede necesitarse un rediseño de la red

Instalar DWDM

Capacidad incremental de expansión mas allá de 80 Gbits/s Permite reusabilidad de la infraestructura base instalada

Opciones de capacidad de

expansión (II)

DWDM Ventajas y

Desventajas

Una mayor capacidad de fibra

Una mas facil expansión de la red

 Solo añadir una nueva longitud de onda

 Costo incremental por un nuevo canal añadido es bajo

 No se necesita reemplazar muchos componentes, tales como amplificadores

ópticos

Sistemas DWDM capaces de abarcar extensiones

mayores

 Solución TDM utilizando STM-64 es mas costosa y más susceptible a

dispersión cromática y dispersión por modo de polarización (PMD)

Se puede migrar a STM-64 cuando la economía mejore

No rentable para números bajos de canales

 Costo fijo de multi/demultiplexores, transponder, y otros componentes del

sistema

Introduce otro elemento, el dominio de la frecuencia, al

diseño y administración de la red

Los sistemas de administración de redes SONET/SDH

no estan bien equipados para manejar topologías

DWDM

Se estan desarrollando monitoreos de desempeño y

metodologías de protección de DWDM

DWDM esta instalado a gran escala en EEUU

Mayores proporciones de enlaces mayores a 1000km

Temprana aparición de “fibra agotada" (saturación de capacidad) in

1995-96

El mercado esta alcanzando su mejor momento en

Europa y Latinoamérica

Incremento en el tráfico de los operadores ha desarrollado DWDM

Nuevos participantes particularmente inclinados a usar

DWDM en Europa

Necesidad de infraestructura escalable para poder cumplir con la

demanda a medida que vaya creciendo

DWDM permite incremento de capacidad incremental

DWDM es percibido como parte integral de nuevas estrategias de

mercado

Estandares DWDM

 ITU Recommendation is G.692 "Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers"

 G.692 includes a number of DWDM channel plans  Channel separation set at:

 50, 100 and 200 GHz

 equivalent to approximate wavelength spacings of 0.4, 0.8 and 1.6 nm

 Channels lie in the range 1530.3 nm to 1567.1 nm (so-called C-Band)  Newer "L-Band" exists from about 1570 nm to 1620 nm

 Supervisory channel also specified at 1510 nm to handle alarms and monitoring

Source: Master 7_4

Longitud de onda (nm)

 Tendencia a espaciamientos de canal más pequeños para incrementar la cuenta de canales

 Espaciamiento de canales recomendado por la ITU es 0.4 nm, 0.8 nm y 1.6 nm (50, 100 y 200 GHz)

 Espaciamientos propuestos de 0.2 nm (25 GHz) y aún 0.1 nm (12.5 GHz)

 Requiere de fuentes laser con excelente estabilidad de longitud de onda a largo término, mejor que 10 pm

 Un objetivo es permitir mas canales en la banda C sin otras actualizaciones

Longitud de onda (nm)

1550 1551 1552 1553 1553 1554

0.8 nm

G.692 Representación de un Sistema

Standard DWDM

Transmitters DWDM Multiplexer Power Amp Line Amp Line Amp Receive Preamp 200 km DWDM DeMultiplexe r

 Cada longitud de onda se comporta como si tuviera su propia “fibra virtual"  Se necesitan amplificadores ópticos para superar las pérdidas en

multi/demultiplexores y largas extensiones de fibra

Receivers

Optical fibre

Componentes Pasivos:



Filtro de Ganancia de ecualización para amplificadores

de fibra



Demultiplexor basado en rejillas Bragg



Arreglo de Guías de Onda Multiplexores/Demultiplexores



Acoplador de inserción/extracción (Add/Drop Coupler)

Componentes Activos/Subsistemas:



Transceivers y Transponders



Lasers DFB de acuerdo a la especificación de longitudes

de onda de la ITU



Amplificadores EDFA´s de respuesta plana para DWDM

Transmitters DWDM Multiplexer

Power

Amp _AmpLine

Receive Preamp 200 km DWDM DeMultiplexe r

 Cada longitud de onda aún se comporta como si tuviera su propia “fibra virtual"  Longitudes de onda pueden ser insertadas o extraídas según se requiera en

localidades intermedias Receivers Add/Drop Mux/Demux Optical fibre

Fabricante & Sistema Número de Canales Espaciamien to de Canales Velocidades de Canal Máxima Tasa de Bits (Tb/s) Nortel OPtera 1600 OLS 160 0.4 nm 2.5 ó 10 Gb/s 1.6 Tbs/s Lucent 40 _2.5 Alcatel Marconi PLT40/80/160 40/80/160 0.4, 0.8 nm 2.5 ó 10 Gb/s 1.6 Tb/s

Sistemas Típicos DWDM

 Diferentes sistemas integran redes nacionales y

metropolitanas

 Sistemas principales típicos actualmente proveen:

 40/80/160 canales

 Tasas de Bits hasta 10 Gb/s con algunas a 40 Gb/s  Interfases para SDH, PDH, ATM etc.

 Capacidad Total hasta 10 Tb/s +

 Operación en Banda C + L y algunos en banda S

 Sistemas disponibles por NEC, Lucent, Marconi, Nortel,

Alcatel, Siemens, Huawey etc.

up to 600-700 km L L R P 160-200 km R P 700 + km R L L P _Regen3R Animation Power/Booster Amp Receive Preamp Line Amp P R L Opt ic al Am plif iers

Extensión de Sistemas DWDM

 Recomendación de la ITU es G.692 "Optical interfaces for multichannel systems with optical amplifiers"

 G.692 incluye un número de planes de canales DWDM  Separación de canales fijada a:

 50, 100 y 200 GHz

 Equivalente a espaciamientos de longitud de onda aproximados de 0.4, 0.8 y 1.6 nm

 Canales situados en el rango 1530.3 nm a 1567.1 nm (También llamada Banda-C)

 La reciente "Banda-L" existe desde 1570 nm hasta 1620 nm

 Canal supervisorio también especificado a 1510 nm para el manejo de alarmas y monitoreo

 16 wavelengths used (8 in each direction). Remains 200 Ghz frequency spacing  Further expansion ports available to allow even denser multiplexing

Red band = 1547.5 to 1561 nm, blue band = 1527.5 to 1542.5 nm

Transmisión

Bidireccional usando

WDM

Source: Master 7_4

Local Transceiver

Fibres x2

Transmitter _Receiver

Receiver _Transmitter

 El enfoque más común es “una fibra / una dirección"  Esto se denomina transmisión "simplex"

 Enlazar dos localidades involucrará dos fibras y dos transceivers

Transmisión Convencional

(Simplex)

l A l B WDM Mux/Demux A lA l B Receiver Transmitter Local Transceiver WDM Mux/Demux B l A lB Receiver Transmitter Distant Transceiver

Fibre

 Son posibles ahorros significativos con la denominada transmisión bi-direccional usando WDM

 Esto se denomina transmisión "full-duplex"

 Se utilizan longitudes de onda individuales para cada dirección

 Enlazar dos localidades involucrará solo una fibra, dos multi/demultiplexores WDM y dos transceivers

Se utilizan longitudes de onda diferentes para la transmisión en cada dirección Típicamente las bandas se denominan:

La “Banda Roja", Mitad superior de la Banda-C hasta 1560 nm La "Banda Azul", Mitad inferior de la Banda-C desde 1528 nm

Red Band Fibre Blue Band Receiver l_1B Receiver l_2B Receiver l_nB l_1R Transmitter Transmitter l_nR Transmitter DWDM Mux/Demux l_2R Receiver l_1R Receiver l_2R Receiver l_nR l_{1B Transmitter} Transmitter l_nB Transmitter DWDM Mux/Demux l_2B

DWDM Bi-direccional

 Para evitar interferencias las bandas Roja y Azul deben estar separadas

 Esta separación se denomina “Banda de Guarda”

 La Banda de Guarda tiene típicamente alrededor de 5 nm

 La Banda de Guarda desperdicia espacio espectral, desventaja de DWDM bi-direccional

Blue

channel

band

Red

channel

band

TRANSMITTER

A

Fibre, connectors and splices

RECEIVER B TRANSMITTER B RECEIVER A

Fibre Coupler _Fibre

Coupler

Frequency Fa

Frequency Fb

 Transmisor A se comunica con Receptor A usando una señal en la frecuencia Fa  Transmisor B se comunica con Receptor B usando una señal en la frecuencia Fb  Cada receptor ignora señales a otras frecuencias, así por ejemplo el Receptor A

ignora la señal en la frecuencia Fb

Transmisión Bi-direccional usando

TRANSMITTE R A

Fibre, connectors and splices

RECEIVER B TRANSMITTE R B RECEIVER A WDM Mux/Demux WDM Mux/Demux 1330 nm 1550 nm

 Transmisor A se comunica con el Receptor A usando una señal en 1330 nm  Transmisor B se comunica con el Receptor B usando una señal en 1550 nm  Filtros multi/demultiplexores WDM extraen la longitud de onda requerida tal que

por ejemplo el Receptor A sólo recibe señales a 1330 nm

Transmisión Bi-direccional usando

Componentes

DWDM

Optical Multiplexer

Optical De-multiplexer

Optical Add/Drop Multiplexer (OADM) Transponder

Componentes DWDM

Optical Amplifier (EDFA)

Optical Attenuator

Variable Optical Attenuator

Dispersion Compensator (DCM / DCU)

VOA EDFA DCM

VOA EDFA

DCM

Service Mux

(Muxponder) _(Muxponder)Service Mux

DWDM SYSTEM DWDM SYSTEM

Arquitectura Típica de una red

DWDM

Aún esta en su infancia

Costosa si se compara con propuestas de un solo canal a 10 Gbits/sec Solo para Fibra Monomodo

Productos típicos de ADVA Networking y Nbase-Xyplex

Los Productos usan un pequeño número de canales (hasta 4) (Telecoms WDM es

tipicamente de 32 +)

Longitudes de onda alrededor de 1320 nm, Sistemas de Telecomunicaciones usan

1530-1570 nm

Nbase-Xyplex System

Fecha Fabricante Canales Capacidad Total

April 2000 Lucent 82 3.28 Terabits/sec

September 2000 Alcatel 128 5.12 Terabits/sec

October 2000 NEC 160 6.4 Terabits/sec

October 2000 Siemens 176 7.04 Terabits/sec

March 2001 Alcatel 256 10.2 Terabits/sec

March 2001 NEC 273 10.9 Terabits/sec

Nota: Capacity de una fibra es 1000 x 40 Gbits/s = 40 Tbits/s por fibra

Registros recientes de Capacidades DWDM

Aprovechando la capacidad de la

Fibra

 Hasta el presente los sistemas comerciales utilizan tipicamente 32 canales  Se han alcanzado y demostrado sistemas comerciales de 80+ canales  Lucent ha demostrado un sistema de 1,022 canales

 Solo opera a 37 Mbits/s por canal

 37 Gbits/s totales usando espaciamiento de canales de 10 GHz, también llamado Ultra-DWDM ó UDWDM

 Escalable a Tbits/sec?

 Demostración de Lucent (Abril 2000)

 3.28 Tbits/s sobre 300 km de fibra Lucent TrueWave  Por canal la tasa de bits fué de 40 Gbits/s

 40 canales en la Banda-C y 42 canales en la Banda-L  Utilizó Amplificación Distribuida de Raman

 Demostración de NEC en Mazo 2001

 10.9 Tbits/sec sobre 117 km de fibra

 273 canales at 40 Gbits/s por canal

 Utiliza transmisión en las Bandas C, L y S.

 Thulium Doped Fibre

Amplifiers (TDFAs) fueron

usados para la Banda-S _{Thulium Doped Amplifier}

Spectrum (IPG Photonics)